基于ATmega128的32路遙脈單元設(shè)計及應(yīng)用
1 于宏業(yè) 2 任景瑞 3李海全
（1長春黃金設(shè)計院，吉林 長春 130012
3．江蘇安科瑞電器制造有限公司，江蘇 江陰 214405）
摘 要：介紹一款基于8位單片機(jī)ATmega128為主控芯片，具有接收32路脈沖信號輸入的ARTU-P32型遙脈單元設(shè)計原理，以及該產(chǎn)品主要技術(shù)指標(biāo)與應(yīng)用案例。
關(guān)鍵字：ATmega128芯片；遙脈單元；ARTU-P32型
0 引言
隨著國家機(jī)關(guān)大樓、大型公共建筑能耗計量考核規(guī)范的推出，主要電氣干線加裝電能計量裝置已成為設(shè)計、審圖和竣工驗收的內(nèi)容之一，有條件的省市還要建立能耗監(jiān)測系統(tǒng)。
但已建樓宇主要電氣干線上一般安裝的往往是壁掛式機(jī)械電能表，不帶RS485通訊接口，拆除重裝智能表既造成浪費(fèi)，又增加成本。本文介紹一款具有32路遙脈接點(diǎn)輸入的ARTU-P32，該裝置可接受32路有源或無源電能脈沖信號，把各路脈沖分別進(jìn)行累加計數(shù)，再經(jīng)通訊實(shí)現(xiàn)和上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換，既不浪費(fèi)原有電表，又實(shí)現(xiàn)電能集中抄表，減少人工抄表成本，提高管理效率。
1 電路設(shè)計原理
ARTU-P32遙脈單元硬件電路包括，主CPU芯片、撥碼開關(guān)設(shè)定輸入、實(shí)時時鐘、雙路RS485通訊、脈沖計數(shù)存儲、電源管理及看門狗控制、光電隔離輸入采集、供電電源模塊等8部分組成。（見圖1）
圖1 電路結(jié)構(gòu)
1.1 主控CPU
32路開關(guān)量信號采集單元（ARTU-P32）設(shè)計采用ATMEL公司的ATmega128,單芯片實(shí)現(xiàn)雙路RS485通訊、數(shù)據(jù)處理、脈沖記錄存取，顯示狀態(tài)控制等。ATmega128是ATMEL公司推出的一款8位RISC結(jié)構(gòu)高速低功耗單片機(jī)，在16M時鐘頻率時系統(tǒng)性能可達(dá)16MIPS，內(nèi)帶128k的Flash、4k的EEPROM、4k系統(tǒng)SRAM；可擴(kuò)展64k外部存儲器；兩路UART通訊口。同時該芯片擁有JTAG在線編程口，方便用戶調(diào)試，降低了開發(fā)成本，53個可編程I/O口可以掛接足夠多的外圍設(shè)備。
1.2 撥碼開關(guān)設(shè)定輸入
撥碼開關(guān)提供用戶一個簡化的人機(jī)接口，用于設(shè)定RS485通訊中的地址、波特率、數(shù)據(jù)格式等設(shè)定功能，撥碼開關(guān)（SW1）的10位數(shù)據(jù)口都接10k電阻上拉到Vcc，電路使用一個74HC244（IC5）數(shù)據(jù)緩沖器，把撥碼開關(guān)的狀態(tài)傳送到8位數(shù)據(jù)總線，剩余兩根數(shù)據(jù)線則直接接到CPU的I/O端口。（見圖2）
圖2 撥碼開關(guān)設(shè)定輸入電路
1.3 實(shí)時時鐘
實(shí)時時鐘芯片RX-8025A（IC4）提供給系統(tǒng)當(dāng)前時間數(shù)據(jù)，該芯片擁有400kHz 串行IIC總線接口，其內(nèi)置的32.768 kHz 石英振蕩器，提供寬溫、高穩(wěn)定性的實(shí)時時間數(shù)據(jù)。
1.4 通訊方式
通訊方式采用雙路RS485方式，調(diào)試及設(shè)定和上位機(jī)通訊部分在物理上分成兩路，互不干擾，有效防止可能存在的誤操作。（見圖3）
圖3 雙路RS485通訊電路
1.5 脈沖計數(shù)存儲
脈沖計數(shù)存儲器使用32k低功耗SRAM（IC3）IC61C256AH和后備電源形成一個斷電不丟失的數(shù)據(jù)存儲單元，使用數(shù)據(jù)鎖存器74HC373（IC2）和CPU的PC端口組成15位數(shù)據(jù)地址對IC3進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲操作。（見圖4）
圖4 脈沖計數(shù)存儲電路
1.6 看門狗控制
掉電自動保存部分使用MAX691CWE（IC8）作為電源管理，在系統(tǒng)有輔助供電的情況下保證IC3由主電源Vcc供電，當(dāng)主電源掉電時則自動切換到后備電池供電方式。同時此芯片還兼有看門狗功能，在系統(tǒng)死機(jī)的極端情況下及時復(fù)位CPU，使系統(tǒng)快速恢復(fù)至受控狀態(tài)。（見圖5）
圖5 看門狗電路
1.7 光電隔離的輸入信號狀態(tài)采集
外部開關(guān)信號采集使用光耦（IC1，IC2只畫出其中四路）作電器隔離，光耦輸出端使用一個數(shù)據(jù)緩沖器74HC244（IC9）對光耦輸出信號進(jìn)行緩沖后傳送到CPU的數(shù)據(jù)總線供CPU讀取。（見圖6）
圖6 信號狀態(tài)采集
1.8 電源部分
電源模塊采用PI公司的開關(guān)電源芯片，輸入范圍為AC/DC 80-270V，電源共有3路輸出，分別給CPU，12V電源輸出、通訊等部分電路提供電源。
2 軟件設(shè)計
軟件流程見圖7
圖7 軟件流程圖
3 產(chǎn)品特點(diǎn)
ARTU-P32采用DIN35mm導(dǎo)軌安裝。前端帶通信指示和信號運(yùn)行通道指示2組指示燈，32個通道掃描一周僅需時間為1ms，每個輸入通道可以最大計數(shù)到4294967296，同時帶GPS校時功能,可實(shí)現(xiàn)電能計數(shù)的凍結(jié)、解凍等功能，在外部電源掉電后可以保證脈沖數(shù)據(jù)記錄一個月內(nèi)不丟失。通信有兩路RS485接口，一路用于通用參數(shù)的設(shè)置及調(diào)試，另一路用于和上位機(jī)通訊。產(chǎn)品頂端設(shè)有撥碼開關(guān)窗口，可通過撥碼開關(guān)設(shè)置產(chǎn)品通訊地址和波特率。產(chǎn)品符合JB/T10388-2002《帶總線通信功能的智能測控節(jié)點(diǎn)產(chǎn)品通用技術(shù)條件》、GB/T7261-2000《繼電器及裝置基本試驗方法》和GB/T13729-2002《遠(yuǎn)動終端設(shè)備》標(biāo)準(zhǔn)。
4 技術(shù)指標(biāo)
產(chǎn)品主要技術(shù)指標(biāo)詳見表1
表1
|
項 目 |
指 標(biāo) |
|
輸入回路/方式 |
32路有源濕接點(diǎn)或無源干接點(diǎn) |
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總線方式 |
二線制半雙工RS485，ModBus—RTU協(xié)議 |
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總線容量 |
≤32 |
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脈沖寬度 |
≥10ms |
|
累積脈沖數(shù)（MAX） |
4294967296（四字節(jié)） |
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外殼防護(hù)等級 |
IP20 |
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電源 |
DC24V或AC/DC200V |
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電源功耗 |
＜５Ｗ |
5 應(yīng)用案例
以計量32個電氣干線電能為例，電能表為DTM862-2型，一次方案見圖8(a)，電能脈沖采集二次見圖8(b)。使用傳統(tǒng)的機(jī)械式電能表附帶脈沖接口，利用智能化的脈沖接收裝置實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中式抄表功能。
圖8
6 結(jié)束語
ARTU-P32遙脈單元于2007年12月在國家繼電保護(hù)及自動化設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心測試，符合相關(guān)要求。該產(chǎn)品已在某油田供水供電公司、蘇州某稅務(wù)大廈、內(nèi)蒙某煤礦等工程配電監(jiān)控系統(tǒng)中得到應(yīng)用，降低了投資成本，產(chǎn)生了較好的社會和經(jīng)濟(jì)效益。
文章來源于：《低壓電器》2009年第18期。
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